何滿潮 郭鵬飛

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京100083；2.紹興文理學(xué)院 巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害實驗中心，浙江 紹興312000)

0 引言

2013年9月7日習(xí)近平主席在哈薩克斯坦納扎爾巴耶夫大學(xué)發(fā)表題為《弘揚人民友誼共創(chuàng)美好未來》的重要演講時首次提出了共建絲綢之路經(jīng)濟帶的構(gòu)想；2013年10月3日國家主席習(xí)近平在印度尼西亞國會發(fā)表題為《攜手建設(shè)中國—東盟命運共同體》的重要演講時首次提出共同建設(shè)21世紀(jì)“海上絲綢之路”的倡議，至此，“一帶一路”經(jīng)濟建設(shè)的中國倡議拉開帷幕，并引起了“一帶一路”沿線國家的熱烈反響[1-3].“一帶一路”路線示意圖如圖1所示.

圖1 “一帶一路”路線示意圖

絲綢之路經(jīng)濟帶是“一帶一路”的重要組成，其地域遼闊，自然資源、礦產(chǎn)資源及土地資源豐富，是21世紀(jì)戰(zhàn)略能源和資源的重要基地[4].然而，由于其交通不便、自然環(huán)境惡劣、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其經(jīng)濟發(fā)展水平與亞太經(jīng)濟圈和歐洲經(jīng)濟圈形成了巨大反差[5].自“一帶一路”倡議提出5年來，隨著絲綢之路經(jīng)濟帶政策溝通、道路聯(lián)通等五大支柱的逐步啟動，絲綢之路經(jīng)濟帶核心區(qū)(新疆)能源規(guī)劃，中土、中俄等絲綢之路沿線國家公路、鐵路網(wǎng)等交通運輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等貿(mào)易合作項目相繼展開，絲綢之路經(jīng)濟帶沿線凸顯出的巖石力學(xué)與工程問題嚴(yán)重制約著絲綢之路經(jīng)濟帶的建設(shè)進程[6].因此，絲綢之路經(jīng)濟帶沿線巖石力學(xué)及工程問題的探討、研究及對策的提出將對“一帶一路”建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義和研究價值.

綜上，本文針對絲綢之路經(jīng)濟帶沿線的工程地質(zhì)條件，通過對其主要的巖石力學(xué)與工程問題、地質(zhì)災(zāi)害類型等進行分析、探討和研究，提出絲綢之路經(jīng)濟帶沿線凸顯的主要巖石力學(xué)與工程問題的解決方案，為“一帶一路”中巖石力學(xué)與工程問題的解決提供重要參考.

1 巖石力學(xué)與工程問題

絲綢之路經(jīng)濟帶橫貫歐亞大陸板塊，涉及西北和西南如陜西、甘肅、新疆、四川、云南等9個省、自治區(qū)及直轄市.由于其沿線地表標(biāo)高落差大、氣溫差異顯著、地質(zhì)條件復(fù)雜多變等因素，嚴(yán)重制約著“一帶一路”經(jīng)濟建設(shè)的進程，在如沿線國家公路、鐵路網(wǎng)、隧道等交通運輸網(wǎng)絡(luò)的工程施工中提出了新的巖石力學(xué)與工程課題.

圖2 絲綢之路經(jīng)濟帶地質(zhì)剖面示意圖

由絲綢之路經(jīng)濟帶地質(zhì)剖面示意圖(見圖2)可知，絲綢之路經(jīng)濟帶沿線地質(zhì)活動頻繁、地震斷層活躍、地震災(zāi)害頻發(fā)；由于沿線地勢差異顯著、自然環(huán)境惡劣等因素的影響，滑坡災(zāi)害(見圖3)時有發(fā)生；在沿線的隧道工程施工中，由于巖層地質(zhì)條件復(fù)雜、地應(yīng)力高等因素的影響，地下施工過程中受到巖爆、坍塌等事故(見圖4)的嚴(yán)重威脅；且由于沿線地下礦產(chǎn)資源儲量豐富，地下資源開采過程中帶來的資源浪費嚴(yán)重、環(huán)境破壞等問題日益突出[7].

圖3 撫順露天煤礦開采誘發(fā)滑坡災(zāi)害[8]

圖4 巖爆災(zāi)害[8]

據(jù)不完全統(tǒng)計，超過90%的地震是由于活動斷層引起的，如1906年4月18日在美國舊金山發(fā)生的8.6級大地震；2008年5月12日在我國四川發(fā)生的8.0級汶川地震(見圖5)，與龍門山斷裂帶密切相關(guān)[8].

圖5 汶川8.0級地震[8]

綜上所述，絲綢之路經(jīng)濟帶沿線的地質(zhì)災(zāi)害問題十分嚴(yán)峻，凸顯出的巖石力學(xué)及工程問題亟待解決[9]，然而傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害理論、裝備和儀器仍然存在致災(zāi)機理不明確、監(jiān)測系統(tǒng)可靠度不高等問題，難以有效解決工程施工中存在的問題.因此，針對滑坡、地震、地下礦產(chǎn)資源開發(fā)等問題，必須打破傳統(tǒng)的思維觀念限制，在理論、材料、裝備等方面進行突破，在新理論、新材料、新裝備的支撐下提升滑坡、地震等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的可靠性，突破傳統(tǒng)地下資源開采的技術(shù)約束，避免在地下資源開采過程中帶來的資源浪費、環(huán)境污染等問題，為絲綢之路經(jīng)濟帶建設(shè)提供科學(xué)和安全保障.

2 滑坡新理論和監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

2.1 滑坡雙體災(zāi)變力學(xué)理論

目前，國內(nèi)外滑坡的監(jiān)測和預(yù)警主要集中在對滑坡體位移的監(jiān)測、區(qū)域降雨量及地下水位的監(jiān)測等[10-12].雖然通過GPS、GIS、GS等設(shè)備對滑坡體位移進行監(jiān)測屬于較常規(guī)的監(jiān)測方法，但位移是滑坡發(fā)生的必要條件而非充分條件，發(fā)生位移不一定會導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生.因此，滑坡常規(guī)監(jiān)測中針對的位移、降雨、水位等是發(fā)生滑坡的必要不充分條件，不能作為滑坡預(yù)測預(yù)報的主要依據(jù).要想預(yù)測預(yù)報準(zhǔn)確，必須找出滑坡發(fā)生的充分必要條件及其可測參數(shù).

筆者經(jīng)過多年的研究和大量的工程實踐發(fā)現(xiàn)，滑坡災(zāi)害發(fā)生伴隨著滑床和滑體間滑面上牛頓力的突降，即“牛頓力突降，滑坡災(zāi)害發(fā)生”.滑坡的本質(zhì)是滑體和滑床沿滑面的相對運動，牛頓力是滑床和滑體間運動的充要條件.所以頓力的變化可作為判斷災(zāi)變發(fā)生的依據(jù).于此，何滿潮院士提出了一種基于雙體界面牛頓力測量的地質(zhì)災(zāi)害雙體災(zāi)變理論，并研發(fā)了配套的監(jiān)測系統(tǒng)，成功預(yù)測了滑坡災(zāi)害的發(fā)生.

因深部巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多樣，斷裂面的形態(tài)各異，又因牛頓力受多種因素的影響，無法直接測出其大小，所以如何測得牛頓力的大小是現(xiàn)階段的一個關(guān)鍵問題.針對上述問題，筆者將一種特殊而又復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)引入牛頓力研究當(dāng)中，將不可測的天然力學(xué)系統(tǒng)(具有負(fù)泊松比特性的恒阻大變形錨索，簡稱NPR錨索)轉(zhuǎn)化為可以測的人為力學(xué)系統(tǒng)，通過監(jiān)測裝置對人為力學(xué)系統(tǒng)進行測量，測量數(shù)據(jù)可間接的求出天然系統(tǒng)中牛頓力的大小.滑體滑床的力學(xué)模型如圖6所示.

圖6 滑坡雙體災(zāi)變力學(xué)模型

根據(jù)滑坡雙體災(zāi)變力學(xué)模型可推導(dǎo)出滑坡雙體災(zāi)變的數(shù)學(xué)模型，即：

Fφ=k1M+k2

(1)

其中：

(1a)

(1b)

2.2 NPR錨索的力學(xué)性能

在如圖6的力學(xué)系統(tǒng)中，插入到天然力學(xué)系統(tǒng)中的加固邊坡的設(shè)備是何滿潮院士團隊研發(fā)的NPR錨索.該錨索通過將恒阻器與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索束體的有機結(jié)合，使常規(guī)小變形錨索成為具有恒阻大變形功能的錨索結(jié)構(gòu).因此，在理論上，NPR錨索是拉不斷的[13-14].當(dāng)邊坡受到外力作用，NPR錨索受力超出錨索的恒阻值時，恒阻體在恒阻套管內(nèi)發(fā)生恒阻滑移，以此來吸收變形能，最大限度防止錨索斷裂、失效現(xiàn)象，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對滑坡全過程進行全方位監(jiān)測.NPR錨索靜力拉伸變形與動力沖擊變形曲線見圖7.目前，用于滑坡監(jiān)測的NPR錨索最大恒阻變形量達2 000 mm，恒阻值達850 KN，在邊坡加固、滑坡監(jiān)測和預(yù)警等方面取得了良好的應(yīng)用效果.

(a)靜力拉伸變形曲線

(b)動力沖擊變形曲線圖7 NPR錨索靜力拉伸變形與動力沖擊變形曲線

圖8 滑坡牛頓力監(jiān)測室內(nèi)物理模擬實驗系統(tǒng)

2.3滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

基于滑坡雙體災(zāi)變力學(xué)模型，何滿潮院士團隊開發(fā)出了一套“滑坡牛頓力監(jiān)測室內(nèi)物理模擬實驗系統(tǒng)”(見圖8)，通過大量滑坡雙體災(zāi)變力學(xué)物理模擬實驗，均得到“滑坡發(fā)生時，牛頓力突然下降”的實驗結(jié)果，即雙體界面牛頓力突降是滑坡發(fā)生的充分必要條件，且大量的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果驗證了這一結(jié)論的正確性(見圖9).在此基礎(chǔ)上，建立了滑坡界面牛頓力“數(shù)據(jù)采集-傳輸-存儲-發(fā)射-接收-分析-處理-反饋”監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)(見圖10)，成功預(yù)報了多次滑坡災(zāi)害的發(fā)生，并在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用.

圖9 南芬露天鐵礦滑坡監(jiān)測預(yù)警工程實例

圖10 滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

(a)N00工法 (b)110工法 (c)121工法圖11 長壁開采“121、110、N00工法”示意圖

3 煤炭開采新技術(shù)—110工法& N00工法

3.1 長壁采煤法概述

一般來說，長壁采煤法的工作面長度在50 m以上的采煤工作面稱為長壁工作面.自19世紀(jì)中葉，長壁采煤法在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用.隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技及裝備水平的提高，先后出現(xiàn)了長壁開采121(大煤柱)工法[15](1962，錢鳴高)、長壁開采121(小煤柱)工法[16](1979，宋振騏)以及長壁開采110 & N00(無煤柱)工法(2008，何滿潮)(見圖11).前兩種方法回采一個工作面均需留設(shè)煤柱，同時需要在回采工作面兩端分別掘進兩條巷道，因此可合并稱為長壁開采121工法，或簡稱121工法[17-19].而長壁開采110工法回采一個工作面無須留設(shè)煤柱，且只需掘進一條巷道，另一條巷道由上一個相鄰工作面通過切頂卸壓自動成巷技術(shù)保留下來，供下一個工作面繼續(xù)使用.N00工法是一種更為先進的采煤工法，工作面無須提前掘進巷道，巷道通過采煤機采、留出，真正實現(xiàn)無煤柱、無巷道掘進采煤[20-22].

隨著地下的持續(xù)開采，無論是傳統(tǒng)的121工法還是通過巷旁充填沿空留巷，所留煤柱導(dǎo)致應(yīng)力的不斷聚集，因此，在地下開采活動中就使用強支護進行硬抵抗，最終導(dǎo)致災(zāi)害的發(fā)生，而且造成了煤炭資源的大量浪費.2008年，受以柔克剛、借力打力哲學(xué)思想的啟發(fā)，何滿潮院士提出“切頂短臂梁”理論，即利用礦山壓力，在采空區(qū)側(cè)定向切頂，切斷部分頂板的礦山壓力傳遞，利用高預(yù)緊力NPR錨索對巷道頂板進行控制，保證采動影響區(qū)沿空巷道的圍巖穩(wěn)定，利用頂板巖層壓力，利用頂板部分巖體，實現(xiàn)自動成巷和無煤柱開采，消除或減少事故災(zāi)害的發(fā)生(見圖12(b))，大幅提高了煤炭回采率，顯著降低煤炭資源的浪費，形成了系統(tǒng)的切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)及裝備體系，并于2010年在川煤集團白皎煤礦2442工作面首次現(xiàn)場成功應(yīng)用.

(a)傳統(tǒng)開采導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的機理示意圖

(b)消除災(zāi)害事故的解決方案示意圖圖12 傳統(tǒng)開采致災(zāi)機理及解決方案

110工法是一種國際先進的采礦工藝，減少了礦產(chǎn)資源的浪費.主要通過對上覆巖層進行施工預(yù)制鉆孔，在鉆孔中裝入炸藥，配合雙向聚能爆破裝置進行張拉爆破，使相鄰鉆孔相互貫通，產(chǎn)生完整的切縫面，使巷道圍巖應(yīng)力重分布，在周期來壓時，頂板沿切縫斷裂垮落自行形成巷幫，形成支護.在鉆孔之前，需要對超前工作面進行高強預(yù)應(yīng)力錨索支護，最大限度的保證在聚能爆破時巷道原有的支護不受到影響；其后，巖巷道頂板邊緣超前的工作面進行鉆孔，進行雙向聚能爆破，形成一條切縫，消除巷道頂板和采空區(qū)頂板的相互影響，使巷道圍巖的應(yīng)力重新分布，力學(xué)模型如圖13所示.

圖13 切頂短臂梁力學(xué)模型

式中：L—直接頂懸臂梁的長度，m；

LR—煤層巷道的寬度，m；

hg—煤層采空區(qū)的高度，m；

hD—直接頂?shù)暮穸龋琺；

LQ—預(yù)裂切縫高度，m；

q—直接頂自重產(chǎn)生的均布荷載，kN/m；

MD—切縫面上的回轉(zhuǎn)彎矩，kN·m；

σw—預(yù)裂切縫未貫穿面上的拉應(yīng)力，MPa.

在煤層開采過程中，采空區(qū)頂板的長度為L，將其看作一段已知長度的懸臂梁，懸臂梁在上部壓力作用下會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)彎矩MD，由于頂板切縫的存在，造成懸臂梁的損傷，使懸臂梁不足以上部壓力在其上產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)彎矩MD，從而使預(yù)裂切縫未貫穿面來承擔(dān)，在周期來壓作用下，未貫穿面全部貫通，頂板自動垮落，從而形成巷幫.力學(xué)理論公式如下：

(2)

(3)

(4)

其中σw為預(yù)裂切縫未貫穿面上的拉應(yīng)力.

由式(2)式(4)可知，預(yù)裂切縫未貫穿面上的拉應(yīng)力σw與LQ成比例關(guān)系，當(dāng)預(yù)裂縫的高度LQ增大，拉應(yīng)力也在相應(yīng)增大.

3.2 110工法工程應(yīng)用

3.2.1 工程概況

為了驗證該方法的工程實踐性，在哈拉溝煤礦12201工作面進行現(xiàn)場實驗，哈拉溝煤礦隸屬于中國神華神東煤炭公司，位于距陜西省神木市55 km處的大柳鎮(zhèn)以北4.5 km烏蘭木倫河?xùn)|側(cè)，該礦區(qū)歸大柳鎮(zhèn)管轄.12201綜合采面走向長度為320 m，鉆孔處距停采線長度747 m，采空區(qū)的留巷長度為580 m，煤層厚度為1.6 m～2.4 m，平均煤層厚度為1.9 m，工作面平均開采高度為2 m，回采煤量為61萬噸，煤層相對穩(wěn)定.12201工作面直接頂為3.9 m～0.52 m灰色、泥質(zhì)膠結(jié)，局部含有薄層中砂巖的粉砂巖，平均厚度為3.67 m；粉砂巖上部為12上煤層，煤層的厚度為2.75 m～0.0 m，平均厚度為1.56 m；12煤層上部為2.14 m～0.55 m灰色、泥質(zhì)膠結(jié)，局部含有薄層中砂巖的泥巖，平均厚度為1.35 m；老頂是由細(xì)粒砂巖、粉砂巖兩種巖性的巖體組成，平均厚度分別為3.34 m和4.05 m；直接底則由平均厚度為3.67 m的青灰色粉砂巖構(gòu)成.12煤與12上煤層間距1.1 m～2.5 m，12上煤厚1.4m～2.4 m.工作面鉆孔柱狀圖如圖14所示.

(a)12201工作面鉆孔柱狀圖

(b)12201工作面巷道布置圖14 工作面鉆孔柱狀及工作面巷道布置圖

3.2.2 設(shè)計方案

基于“切頂短臂梁”理論及12201工作面的工程地質(zhì)條件，對12201工作面運輸順槽進行110工法設(shè)計.恒阻大變形錨索直徑為21.8 mm，長度8 m，恒阻器直徑為65 mm，恒阻值為33±2 t，恒阻器長度為500 mm，恒阻大變形錨索排距為2 m，預(yù)緊力為28 t，相鄰三根恒阻大變形錨索用W型鋼帶連接，切頂炮孔設(shè)計為與鉛垂方向夾角為20 °，孔間距為600 mm，孔深6 000 mm.設(shè)計方案如圖15所示.

3.2.3 實施效果

根據(jù)設(shè)計方案，在哈拉溝煤礦12201運順進行了切頂卸壓自動成巷現(xiàn)場實施，取得了預(yù)期的效果.現(xiàn)場應(yīng)用效果如圖16所示.

由圖17可知，從來壓步距上看，12201工作面運輸順槽沿空留巷段(切頂區(qū))比試驗段(未切頂區(qū))的工作面周期來壓步距增加18 m～22 m，增大約2倍.表明在切頂影響下，近沿空巷道側(cè)采空區(qū)充填效果好，垮落的矸石充填了采空區(qū)大部分空間，從而限制了基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)，造成基本頂不易發(fā)生斷裂，即周期來壓步距加大.從來壓強度上看，110工法切頂影響區(qū)較121工法區(qū)，周期來壓最大值減少10～11MPa，減少20%，表明在切頂影響下，直接頂破斷垮落后，形成碎漲的矸石通常可以將采空區(qū)充滿，工作面覆巖荷載傳遞影響較大，前基本頂已達到動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，工作面基本頂來壓緩和，進而對近沿空巷道側(cè)工作面支架產(chǎn)生的壓力也較小.

(a)巷道支護斷面圖

(b)巷道支護平面展開圖圖15 12201運輸順槽設(shè)計方案

圖16 哈拉溝煤礦110工法成巷效果

圖17 12201工作面5#支架支柱荷載曲線圖

4 結(jié)論

(1)絲綢之路經(jīng)濟帶是“一帶一路”建設(shè)的重要組成，但因其沿線交通不便、環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜等因素，沿線建設(shè)過程中，滑坡、地震、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害及地下資源開采等巖石力學(xué)與巖土工程問題愈加顯著.

(2)NPR錨索與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索的一個主要差別就是具有“讓中有抗，抗中有讓，防斷恒阻”的特性.當(dāng)NPR錨索受力達到恒阻值時，NPR錨索隨著圍巖大變形而發(fā)生徑向拉伸的大變形，避免了由于巖土體大變形而發(fā)生錨索斷裂、失效現(xiàn)象，具有恒阻、大變形、抗沖擊、吸能等顯著特性.因此，NPR新材料的研發(fā)，是巖石力學(xué)理論和巖土工程大變形災(zāi)害控制的重要突破.

(3)牛頓力監(jiān)測是一種有效的滑坡監(jiān)測預(yù)警方法，目前已成功預(yù)報多次滑坡事故.基于雙體災(zāi)變力學(xué)理論，牛頓力監(jiān)測方法非常有希望在地震預(yù)報監(jiān)測方面扮演重要角色.

(4)基于NPR錨索支護、聚能爆破等技術(shù)的新采礦方法，即110工法& N00工法，已在國內(nèi)煤礦廣泛應(yīng)用和推廣，大幅降低了噸煤成本，提高了煤炭回收率，提高了企業(yè)效益，改善了地表開采沉陷.